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The Learnin' Corner: Dragging Frame

Im Gedankenuniversum der Realitätstheorie - Gespräch mit Prof. Neil Ashby über den "Frame-Dragging-Effekt".
5.11.10

Niedergeschrieben von Alex Dunbar, Illustration von Annie Rosen

Dr. Neil Ashby ist Professor an der University of Colorado in Boulder. Sein Forschungsschwerpunkt ist die praktische Anwendbarkeit der allgemeinen Relativitätstheorie. Der Grundgedanke des Frame-Dragging-Effekts (oder Lense-Thirring-Effekts) ist, dass ein rotierender Körper eine Auswirkung auf die Schwerkraft hat, die sich durch den leeren Raum (bzw. das Vakuum) fortsetzt und Dinge mit sich zieht. Wenn man ein Gyroskop nahe der Achse eines rotierenden Körpers platziert, wird es in Richtung der Drehbewegung gezogen. Wenn man es aber außerhalb des Äquators desselben Körpers platziert, lässt die sich bewegende Masse das Gyroskop in die andere Richtung ausschlagen. Nehmen wir unsere Erde als Beispiel. Ein sie umkreisender Satellit reagiert wie ein Gyroskop. Die Achse des Gyroskops richtet sich senkrecht zur Bahn der Umlaufebene des Objekts aus, das von der Erde mitgezogen wird. Wenn man sich die Ausrichtung beider Objekte mithilfe eines astronomischen Bezugspunkts ansieht—z. B. ferne Sterne, die fast unbeweglich sind—kann man anhand des Verhältnisses der Umlaufbahn zu diesen fernen Sternen erkennen, dass sich die Ausrichtung ändert. Die Äquatorialebene der Erde setzt sich in den Weltraum fort, und an einem bestimmten Punkt verläuft die Umlaufbahn des Satelliten von Süden nach Norden und durch diese Ebene. Das bezeichnet man als Knotenpunkt. Wenn sich die Umlaufbahn dreht, bewegt sich dieser Punkt. Stellt euch vor, dass sich diese Äquatorialebene und die Bahnebene drehen und dabei den Schnittpunkt ändern. Die sich dabei ergebende, sich minimal drehende Schnittlinie nennt man die Knotenlinie. Das Konzept lässt sich auch auf ein Doppelsternsystem anwenden. Das Gravitationsfeld eines rotierenden Objekts zwingt die Achse des anderen dazu, sich ebenfalls zu bewegen. Ein massereiches rotierendes Objekt kehrt die Umlaufbahn der Satelliten in seinem Umfeld um. Wenn also jemand ein Doppelsternsystem von Weitem betrachtet, würde er aufgrund des Frame-Dragging-Effekts beobachten, dass sich die Satelliten im Umfeld des Systems auf einer anderen Zeitachse vorwärts bewegen. Das heißt, für Objekte, die tiefer im Gravitationsfeld liegen, drehen sich die Uhren langsamer. Solche Auswirkungen sind auf der Erde gang und gäbe beim GPS. Die Präzision des Systems macht es zu einem Problem, dass die Zeit in den Satelliten schneller als auf der Erde verläuft. Das muss dann ausgeglichen werden. Beim massereichen Doppelsternsystem übt allein die riesige Masse der beiden Sterne einen enormen Einfluss auf die Zeit aus. Das wäre für jeden, der die milde Zeitverschiebung der Erde gewohnt ist, ein echtes Problem. Alle Zeitmessungen hingen davon ab, wie nahe die Uhr einem der anderen Sterne kommt und so weiter. Man kann diesen Effekt auf der Erde beobachten, wenn man die Umlaufbahn von Satelliten betrachtet. Stellt euch zwei Satelliten auf einer Linie mit der Erde vor. Dabei würde das Licht von einem der Objekte die Oberfläche des anderen passieren und sich verlangsamen. Das heißt, dass die Lichtgeschwindigkeit tatsächlich abnehmen würde. Die Experimente, die zur Messung des Frame-Dragging-Effekts durchgeführt werden, sind gelinde gesagt kompliziert. Zum Beispiel dienen die beiden mit Blei gefüllten und mit Reflektoren bedeckten LAGEOS-Satelliten dazu, Laserstrahlen zurückzuwerfen. Indem millionenfach die Zeit gemessen wird, die der Laser für den Rückweg zur Erde braucht, lässt sich die Umlaufbahn des Satelliten herleiten. Es gibt natürlich andere Effekte, die die Knotenlinie dazu veranlassen, sich zu drehen, was die Feststellung des Frame-Dragging-Effekts erheblich behindert. Zum Beispiel bringt die Abplattung der Erde an den Polen oder ihre Achsneigung die Knotenlinie dazu, sich zu ändern. Bevor man den allgemein-relativistischen Frame-Dragging-Effekt also wirklich feststellen kann, braucht man erst bessere Modelle des irdischen Gravitationsfelds—Modelle, die diesen Hindernissen Rechnung tragen.